Det kan hende at det er i et avlangt univers vi faktisk bor i. Fysikeren Ben David Normann ved Universitetet i Stavanger liker å snu ting på hodet.

Når han for eksempel forsøker å forstå hvorfor universet er svært symmetrisk, så forsøker han å forestille seg at det ikke er symmetrisk – at det ikke utvider seg likt i alle retninger, slik de fleste kosmologene i dag tror.

Denne antakelsen har Normann jobbet med i sin doktorgradsavhandling. Han står i en lengre tradisjon av forskere internasjonalt som direkte eller indirekte har jobbet for å bli kvitt det såkalte kosmologiske prinsippet: antakelsen om at universet ser likt ut overalt.

Det er ikke slik å forstå at forskerne antar at det kosmologiske prinsippet er feil. De ønsker bare å forstå hvorfor det eventuelt er riktig. Kanskje ligger svaret i at universet ikke alltid har vært så symmetrisk og fint som det er i dag?

Gjetter seg fram til svar

Det er bare fem prosent av det som er i verdensrommet forskerne kan si noe sikkert om. Det er gasser, støv, stjerner, planeter og galakser. De resterende 95 prosent er en gåte og blir definert som mørk energi (68 prosent) og mørk materie (27 prosent).

– Ingen forskere har noen dyp forståelse av hva mørk energi og mørk materie er for noe. Mens noen mener at det er selve gravitasjonsteorien som er feil, mener mange andre at mørk materie består av partikler – derav navnet materie, forklarer Normann.

Selv om astrofysikere på mange områder famler i mørket er de likevel nokså sikre på at Einsteins relativitetsteori og hans likninger gir en god pekepinn på hvordan universet fungerer og har utviklet seg. Normann støtter seg på Einsteins begrep om «tidrom», hvor universet blir betraktet som firedimensjonalt – tre romdimensjoner og én tidsdimensjon.’

Innenfor teoretisk fysikk og matte brukes ofte likninger med ukjente størrelser for å komme fram til svar. Innenfor kosmologien er det altså snakk om en hel haug med ukjente faktorer.

Fant sitt Wonderland

Normann har gjort noen antakelser om geometri og type materie før han starter med å løse Einsteins likninger. For eksempel forestiller han seg at mørk materie er en helt egen og ukjent form for energi. Han kaller dette J-form, en energi som dytter universet mer enn andre krefter og derfor skaper en pølselignende fasong. Han har gitt dette universet navnet Wonderland.

– Disse navnene er ganske vilkårlig satt på en størrelse vi ikke kjenner til hva er, ifølge fysikeren, som rett og slett slo sammen et par energiformer for å regne seg fram til sin egen modell av universet.

Han forklarer at han bruker antakelsene om denne mørke energien som et matematisk objekt for å undersøke de fire dimensjonene i universet, som hver har sine energier. Her finnes det former for energi som er mye studert, som elektrisitet og magnetisme og mørk energi. Men også mange ukjente former for energi.

I hans teori er det eneste kjente med denne energien at den bøyer tidrommet, slik vanlig masse også gjør. Den skaper altså gravitasjon.

– Vi gjetter litt i blinde, nettopp fordi vi ikke vet hva mørk materie er for noe. Vi må rett og slett prøve og feile helt til vi gjetter riktig, forklarer Normann.

Mer som en pølse?

Ifølge forskeren er gjetningen om den spesielle J-forms-energien som skaper Wonderland på mange måter en svært naturlig utvidelse av standardmodellen, dersom man ønsker å forklare hvorfor universet ser så spesielt ut som det gjør.

I fjor publiserte han resultatene av sine beregninger i det vitenskapelige tidsskriftet Classical and Quantum Gravity.

Normann viser i sin forskning hvordan et univers fylt med slik J-forms-energi vil utvide universet på en asymmetrisk måte.

– Wonderland kan skisseres litt som en avlang pølse, forklarer Normann.

– Dette er ikke mulig i standard kosmologi. Det er derimot mulig i vår teori, siden vi ikke antar at utvidelsen må ha vært lik i alle retninger. I Wonderland er det et en kraft som virker mer i én retning enn i de to andre. Derfor blir utvidelsen som en pølse. Eller som en avlang ballong når du blåser den opp, om du vil, sier han.

Som en rokkering?

Normann har også to andre matematiske modeller for hvordan universet utvider seg. I tillegg til Wonderland, har han univers-modellene som han kaller The Edge og The Rope. Alle tre er alternativer til standardmodellen.

Veileder Sigbjørn Hervik, som har jobbet med dette i mange år, sier at det er Wonderland som peker seg blant de tre univers-modellene.

– Wonderland er den løsningen som er mest fysisk relevant og som samtidig er matematisk estetisk – to ting vi gjerne ser etter når vi skal vurdere løsningsforslag, forklarer professoren.

– Modellen er relevant blant annet fordi en av de ukjente faktorene vi har puttet inn i likningen, er støv, og støv vet vi noe om. I tillegg ser vi at denne modellen har noen matematiske mønstre som gjør at vi kan fullføre et bilde av hvordan dette universet oppfører seg, påpeker Hervik.

De to andre løsningene har også sine kuriositeter. Begge inneholder de for eksempel et roterende vektorfelt.

– Et roterende vektorfelt virker på universet litt som en rokkering virker på kroppen. Når rokkeringen snurrer rundt kroppen din, så kjenner du at den presser på forskjellige steder rundt kroppen. Først på magen, så på siden, ryggen og så den andre siden, og så videre. Et roterende vektorfelt vil på same måte dra universet utover i forskjellige retninger til forskjellige tider. Kraften virker ikke i samme retning hele tida, forklarer Normann.

– Selv om disse løsningene kanskje ikke er fysiske relevante, så er de matematiske muligheter, og kan derfor likevel være av interesse, konkluderer veilederen.

I denne videoen forteller en engasjert Ben David Normann om egen forskning under Forsker grand prix 2018. Del to av foredraget kan du se her.

Normanns hypotese

– Dersom den mørke siden av universet er J-forms-energi, så er det ikke standardmodellen som beskriver det universet vi bor i. Derimot så kan det være en av mine tre løsninger som er den riktige beskrivelsen, påpeker doktorgradsstudenten optimistisk.

– Skal vi forstå universet bedre, for eksempel hvordan det gikk fra lite til stort, så er det klart vi må forstå de 95 mystiske prosentene, forklarer Normann, som i likhet med mange andre kosmologer verden over jobber med hypotesen om at universet er fylt med mørk materie og mørk energi.

Idéen om J-forms-energien stammer fra veilederen hans, Sigbjørn Hervik, som gjorde Normann oppmerksom på et hull i litteraturen. Ingen hadde på systematisk vis studert et univers fylt med denne typen energi før.

– Grunnen til at andre ikke har undersøkt akkurat dette, er for det første at forskerne ikke har tenkt på det. For det andre er det ikke mange som har kompetanse til å gjøre det, sier Hervik, som selv har over tjue års erfaring i å regne fram ulike univers-modeller.

Hervik leder en forskergruppe som ser på ulike univers-modeller, mens en annen forskergruppe har spesialisert seg på de første nanosekundene etter universets tilblivelse.

– Vi har nå fått svar på hvordan disse modellene oppfører seg. Så er det fortsatt noen andre modeller som det gjenstår å utforske, påpeker Hervik.

Han sier at det fortsatt er veldig uvisst om det virkelig er slik at den mørke delen av universet består av J-forms-energi. Stadig bedre teleskoper og bedre observasjoner av fenomener i universet kan gi flere svar i framtiden.

Referanse:

B. D. Normann, S. Hervik m.fl: Bianchi cosmologies with p-form gauge fields iClassical and Quantum Gravity vol.: 35, nr. 9 2018

Saken er produsert og finansiert av Universitetet i Stavanger - Les mer

Les også:

Hva skjer når en Harvard-professor foreslår at solsystemet vårt har blitt besøkt av en romsonde sendt av aliens?